Συσκευές ημιαγωγών AC

Το σχηματικό διάγραμμα και ο σχεδιασμός των ηλεκτρικών συσκευών ημιαγωγών AC καθορίζονται από το σκοπό, τις απαιτήσεις και τις συνθήκες λειτουργίας. Με την ευρεία εφαρμογή που βρίσκουν οι ανέπαφες συσκευές, υπάρχει μεγάλη ποικιλία δυνατοτήτων για την υλοποίησή τους. Ωστόσο, όλα αυτά μπορούν να αναπαρασταθούν με ένα γενικευμένο μπλοκ διάγραμμα που δείχνει τον απαιτούμενο αριθμό λειτουργικών μπλοκ και την αλληλεπίδρασή τους.

Το σχήμα 1 δείχνει ένα μπλοκ διάγραμμα μιας συσκευής ημιαγωγού AC σε μονοπολική κατασκευή. Περιλαμβάνει τέσσερις λειτουργικά ολοκληρωμένες μονάδες.

Η μονάδα τροφοδοσίας 1 με στοιχεία προστασίας από υπερτάσεις (κύκλωμα RC στο σχήμα 1) είναι η βάση της συσκευής μεταγωγής, του εκτελεστικού της φορέα. Μπορεί να γίνει με βάση μόνο ελεγχόμενες βαλβίδες - θυρίστορ ή με τη βοήθεια διόδων.

Όταν σχεδιάζετε μια συσκευή για ρεύμα που υπερβαίνει τα όρια ρεύματος μιας μεμονωμένης συσκευής, είναι απαραίτητο να τα συνδέσετε παράλληλα.Σε αυτή την περίπτωση, πρέπει να ληφθούν ειδικά μέτρα για την εξάλειψη της ανομοιόμορφης κατανομής του ρεύματος σε μεμονωμένες συσκευές, η οποία οφείλεται στη μη ταυτότητα των χαρακτηριστικών ρεύματος-τάσης τους στην αγώγιμη κατάσταση και στην κατανομή του χρόνου ενεργοποίησης.

Το μπλοκ ελέγχου 2 περιέχει συσκευές που επιλέγουν και θυμούνται εντολές που προέρχονται από τα σώματα ελέγχου ή προστασίας, δημιουργούν παλμούς ελέγχου με καθορισμένες παραμέτρους, συγχρονίζουν την άφιξη αυτών των παλμών στις εισόδους του θυρίστορ με τις στιγμές που το ρεύμα στο φορτίο υπερβαίνει το μηδέν.

Το κύκλωμα της μονάδας ελέγχου γίνεται πολύ πιο περίπλοκο εάν η συσκευή, εκτός από τη λειτουργία μεταγωγής κυκλώματος, πρέπει να ρυθμίζει την τάση και το ρεύμα. Σε αυτή την περίπτωση, συμπληρώνεται από μια συσκευή ελέγχου φάσης, η οποία παρέχει μια μετατόπιση των παλμών ελέγχου κατά μια δεδομένη γωνία σε σχέση με το μηδενικό ρεύμα.

Το μπλοκ αισθητήρων για τον τρόπο λειτουργίας της συσκευής 3 περιέχει συσκευές μέτρησης ρεύματος και τάσης, προστατευτικά ρελέ για διάφορους σκοπούς, ένα κύκλωμα για τη δημιουργία λογικών εντολών και τη σηματοδότηση της θέσης μεταγωγής της συσκευής.

Η συσκευή αναγκαστικής μεταγωγής 4 συνδυάζει μια συστοιχία πυκνωτών, το κύκλωμα φόρτισής της και τα θυρίστορ μεταγωγής. Σε μηχανήματα εναλλασσόμενου ρεύματος, αυτή η συσκευή περιέχεται μόνο εάν χρησιμοποιούνται ως προστασία (διακοπτές κυκλώματος).

Το εξάρτημα ισχύος της συσκευής μπορεί να κατασκευαστεί σύμφωνα με ένα σχέδιο με αντιπαράλληλη σύνδεση θυρίστορ (βλ. εικόνα 1), με βάση ένα συμμετρικό θυρίστορ (τριάκο) (σχήμα 2, α) και σε διάφορους συνδυασμούς θυρίστορ και διόδων (εικόνα 2, β και γ).

Σε κάθε συγκεκριμένη περίπτωση, κατά την επιλογή μιας επιλογής κυκλώματος, θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη οι ακόλουθοι παράγοντες: οι παράμετροι τάσης και ρεύματος της συσκευής που αναπτύσσεται, ο αριθμός των συσκευών που χρησιμοποιούνται, η μακροπρόθεσμη ικανότητα μεταφοράς φορτίου και η αντίσταση στις τρέχουσες υπερφορτώσεις, ο βαθμός πολυπλοκότητας του χειρισμού του θυρίστορ, οι απαιτήσεις βάρους και μεγέθους και το κόστος.

Εικόνα 1 — Μπλοκ διάγραμμα μιας συσκευής θυρίστορ AC

Σχήμα 2 — Μπλοκ ισχύος συσκευών ημιαγωγών AC

Μια σύγκριση των μπλοκ ισχύος που φαίνονται στα Σχήματα 1 και 2 δείχνει ότι το σχήμα με αντιπαράλληλα συνδεδεμένα θυρίστορ έχει τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα.Ένα τέτοιο σχήμα περιέχει λιγότερες συσκευές, έχει μικρότερες διαστάσεις, βάρος, απώλεια ενέργειας και κόστος.

Σε σύγκριση με τα triac, τα θυρίστορ με μονοκατευθυντική (μονόδρομη) αγωγιμότητα έχουν υψηλότερες παραμέτρους ρεύματος και τάσης και είναι σε θέση να αντέξουν σημαντικά μεγαλύτερες υπερφορτώσεις ρεύματος.

Τα θυρίστορ tablet έχουν υψηλότερο θερμικό κύκλο. Επομένως, μπορεί να προταθεί ένα κύκλωμα που χρησιμοποιεί triac για ρεύματα μεταγωγής που, κατά κανόνα, δεν υπερβαίνουν την ονομαστική τιμή ρεύματος μιας μεμονωμένης συσκευής, δηλαδή όταν δεν απαιτείται η ομαδική τους σύνδεση. Σημειώστε ότι η χρήση των triac βοηθά στην απλοποίηση του συστήματος ελέγχου της μονάδας τροφοδοσίας, πρέπει να περιέχει ένα κανάλι εξόδου στον πόλο της συσκευής.

Τα σχήματα που φαίνονται στο σχήμα 2, b, c απεικονίζουν τη δυνατότητα σχεδιασμού συσκευών μεταγωγής εναλλασσόμενου ρεύματος με χρήση διόδων. Και τα δύο συστήματα είναι εύκολο στη διαχείριση, αλλά έχουν μειονεκτήματα λόγω της χρήσης μεγάλου αριθμού συσκευών.

Στο κύκλωμα του σχήματος 2, β, η εναλλασσόμενη τάση της πηγής ισχύος μετατρέπεται σε τάση πλήρους κύματος μιας πολικότητας χρησιμοποιώντας έναν ανορθωτή γέφυρας διόδου. Ως αποτέλεσμα, μόνο ένα θυρίστορ που είναι συνδεδεμένο στην έξοδο της γέφυρας ανορθωτή (στη διαγώνιο της γέφυρας) καθίσταται ικανό να ελέγχει το ρεύμα στο φορτίο κατά τη διάρκεια των δύο μισών κύκλων, εάν στην αρχή κάθε ημικύκλου ο έλεγχος παλμοί λαμβάνονται στην είσοδό του. Το κύκλωμα απενεργοποιείται στην πλησιέστερη μηδενική διέλευση του ρεύματος φορτίου μετά τη διακοπή της παραγωγής παλμών ελέγχου.

Θα πρέπει ωστόσο να ληφθεί υπόψη ότι η αξιόπιστη ενεργοποίηση του κυκλώματος εξασφαλίζεται μόνο με μια ελάχιστη αυτεπαγωγή του κυκλώματος στην πλευρά του ανορθωμένου ρεύματος. Διαφορετικά, ακόμη και αν η τάση πέσει στο μηδέν στο τέλος του μισού κύκλου, το ρεύμα θα συνεχίσει να ρέει μέσω του θυρίστορ, εμποδίζοντάς το να σβήσει. Ο κίνδυνος έκτακτης απενεργοποίησης του κυκλώματος (χωρίς ενεργοποίηση) εμφανίζεται επίσης όταν αυξάνεται η συχνότητα της τάσης τροφοδοσίας.

Στο κύκλωμα, στο σχήμα 2, το φορτίο ελέγχεται από δύο θυρίστορ συνδεδεμένα μεταξύ τους, καθένα από τα οποία χειρίζεται προς την αντίθετη κατεύθυνση από μια μη ελεγχόμενη βαλβίδα. Δεδομένου ότι σε μια τέτοια σύνδεση οι κάθοδοι των θυρίστορ είναι στο ίδιο δυναμικό, αυτό επιτρέπει τη χρήση γεννητριών παλμών ελέγχου μιας εξόδου ή δύο εξόδων με κοινή γείωση.

Τα σχηματικά διαγράμματα τέτοιων γεννητριών είναι πολύ απλοποιημένα. Επιπλέον, τα θυρίστορ στο κύκλωμα, στο Σχήμα 2, c, προστατεύονται από αντίστροφη τάση και επομένως πρέπει να επιλέγονται μόνο για τάση προς τα εμπρός.

Όσον αφορά τις διαστάσεις, τα τεχνικά χαρακτηριστικά και τους οικονομικούς δείκτες, οι συσκευές που κατασκευάζονται σύμφωνα με τα σχήματα που φαίνονται στο σχήμα 2, β, γ είναι κατώτερες από τις συσκευές μεταγωγής των οποίων τα κυκλώματα φαίνονται στα σχήματα 1 c, 2, a. Ωστόσο, χρησιμοποιούνται ευρέως σε συσκευές αυτοματισμού και προστασίας ρελέ, όπου η ισχύς μεταγωγής μετράται σε εκατοντάδες watt. Συγκεκριμένα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως συσκευές εξόδου διαμορφωτών παλμών για τον έλεγχο μπλοκ θυρίστορ ισχυρότερων συσκευών.

Timofeev A.S.